Astronomischer Quadrant

Der astronomische Quadrant oder Viertelkreis ist ein altes Winkelmessgerät der Quadrantenfamilie , das in astronomischen Observatorien verwendet wird .

Ursprünglich wurde dieses Instrument verwendet, um die Höhe eines Zielobjekts zu messen . In der Antike bekannt , wurde es von den Arabern bis zum Gigantismus entwickelt . Eingeführt im Westen im Mittelalter , es wird einer der folgenden sein Tycho Brahes privilegierte astronomische Instrumente . Später werden mehrere Verbesserungen, wie zum Beispiel das Hinzufügen von Schaugläsern, das Maximum aus seinen Möglichkeiten herausholen, aber auch das Auftreten von Überläufern fördern: Meridiangläser zum Beispiel. Diese Innovationen werden die fortschreitende und nahezu endgültige Verschwinden des astronomischen Quadranten abdichten XIX - ten  Jahrhunderts.

Dieses Instrument kann befestigt werden: Wandquadrant oder einige Mobilitätsgrade  : schwenkbarer Quadrant , azimutaler schwenkbarer Quadrant, Quadrant auf Kugelgelenk. Seine Dimensionen betrachtet, ist dieses Instrument im Prinzip der genau der alten Quadranten .

Geschichte und Entwicklung

In alten Zeiten

In der Antike wären für manche Autoren die ersten Quadranten - in archaischer Form - bei den Ioniern aufgetaucht . Allerdings Abstufungen in Grad auf Beobachtungsinstrumente werden nur angezeigt , II th  Jahrhundert  vor Christus. BC Diese Einteilung des Kreises ist die Tatsache von Hipparchos , der Armillae für seine astronomischen Messungen verwendet; aber der Quadrant, der einen abgestuften Sektor umfasst, wird nicht für all das als eines seiner Instrumente genannt.

Erst II th  Jahrhundert , dass die Existenz des Quadranten nachgewiesen wird. Ptolemaios beschreibt im Almagest das erste etwas eigenartige Instrument, mit dem er die Meridianhöhe der Sonne misst. Es besteht aus einem rechteckigen Parallelepiped aus Stein oder Holz mit einer gut polierten Fläche, auf der der abgestufte Sektor nachgezeichnet ist. In der Mitte des Kreises ist senkrecht ein zylindrischer Stab oder "Gnomon" angebracht; ein anderer befindet sich am Nullpunkt des abgestuften Sektors. Der Block wird durch ein Lot senkrecht "verkeilt" und auf Wasserstand, dieser in der Meridianebene am Boden nachgezeichnet. Die Höhe wird "durch Markierung der Mitte des Schattens" gelesen, die der obere Stift auf der Vorderseite des Steinblocks hinterlassen hat. Ptolemaios findet, dass diese Art des Messens "bequemer" ist als die Verwendung von "Kreisen" oder Armilen . Tatsächlich erfolgt die Kreismessung durch für das Auge gefährliche Zielnadeln oder durch kleine Prismen, die beim Ablesen weniger genau sein können. Ptolemäus gibt die Dimensionen seines Quadranten nicht an, aber er weist darauf hin, dass der abgestufte Sektor mit "der Grade und seiner Unterteilungen" gekennzeichnet ist - was mindestens eine Unterteilung des Grades in 3 mal 20 ' impliziert. Diese Angabe würde eher zeigen, dass der Quadrant einen Mindestradius von 50 cm hat (also einen Bogen von 8,7 mm für 1°), was bei einem Steinquadranten mit einer Breite von 20 cm ein Gewicht von 125 kg gewährleisten würde. Somit wäre die Stabilität dieses großen Quadranten gewährleistet.

Die Messung der Meridianhöhe h m der Sonne zu den Tagundnachtgleichen ermöglicht es dann, den ungefähren Wert des Breitengrades φ des Ortes zu berechnen : h m = 90 ° - φ. Ptolemäus gibt im Kapitel X des Almagest keine Zahlenwerte an, weder für die Meridianhöhe noch für den Breitengrad. Andererseits sind die Meridianhöhen zur Sommersonnenwende h m max. und Winter h m min. geben :

Ptolemäus findet für 2ε Werte zwischen 47° 1 ⁄ 3 und 47° 3 ⁄ 4 , was ihm für die Schiefe der Ekliptik ε einen Wert zwischen 23,665 ° und 23,875 ° gibt.

In der arabischen Welt

Die arabischen Astronomen auf der Grundlage der Schriften des Ptolemäus, inspiriert von seinen Instrumenten, verbessern und bauen neue. Sie beschäftigen unter anderem riesige Quadranten in ihren Observatorien.

Große arabische Quadranten
Nein. Quadrant Nein. Sternwarte (n) Datiert Anmerkungen
1 undokumentiert Damaskus , Bagdad IX - ten  Jahrhundert
2 Wand 1 Ar-Raqqa in Syrien X - ten  Jahrhundert
3 Wand 1 Ray (Teheran) im Iran X - ten  Jahrhundert r = 20 m; 1° = 35cm; 10 "= 1 mm
4 Wand 1 Maragha im Iran XIII - ten  Jahrhundert r = 18 m; 1° = 31,5 cm; 6 "= 0,5 mm
5 doppelter Azimut 1 d ° XIII - ten  Jahrhundert
6 Wand 1 Samarkand in Usbekistan XV - ten  Jahrhundert r = 40 m; 1° = 70cm; 6" = 1,2 mm
7 azimutal 1 d ° XV - ten  Jahrhundert
8 doppelwandig 1 Istanbul in der Türkei XVI th  Jahrhundert
9 schwenken 1 d ° XVI th  Jahrhundert r = 4,5 m; 1° = 8cm; 1 '= 1,3 mm

Die Wandquadranten sind fixiert. Sie werden daher gemäß einer privilegierten Ebene platziert, die die Meridianebene des Implantationsorts ist:

Die mit einer Pinnule-Alidade versehenen Wandbilder ermöglichen die Messung der Meridianhöhe der Sterne. Ihre Genauigkeit hängt von ihrer Größe ab: Ein in einem arabischen Manuskript beschriebenes Wandbild misst etwa 3 m im Radius und sein Glied ist in Minuten unterteilt (ein Bogen von 1 ° misst 52 mm und 1 ' misst 0,9 mm: 1' hier ist die Auflösung des Instruments).

Andere Wandbilder ohne Alidade ermöglichen es, die Meridianhöhe der Sonne nach dem Prinzip der Dunkelkammer zu messen - ein Prinzip, das auch bei den großen Meridianen in Kirchen verwendet wird: Das Wandbild wird in die Dunkelheit eines geweihten Gebäudes getaucht; Ein Loch mit kleinem Durchmesser, das sich in der theoretischen Mitte des Quadranten befindet, lässt die Sonnenstrahlen durch, die einen „kreisförmigen“ Lichtfleck auf dem Beobachtungssektor bilden. Das Zentrum der Leuchtscheibe gibt den Mittagsstand der Sonne über dem Meridian an. Diese Höhe h m erlaubt, wie oben gesehen, die Bestimmung des Breitengrades φ , der Neigung der Ekliptik ε und auch der Sonnendeklination δ für jeden Tag am wahren Mittag , eine Deklination, die für eine Bestandsaufnahme in der Navigation sehr nützlich sein wird. Die Wandbilder (3), (4), (6) sind von dieser Art.

Die schwenkbaren und azimutalen Quadranten sind alidad und können um eine vertikale Achse rotieren. Der Quadrant (9) von Istanbul ist einfach schwenkbar und ermöglicht es, die Höhe eines Sterns jeder Ausrichtung zu messen. Die azimutalen Quadranten sind auf einem horizontalen Teilkreis montiert, wobei die Null in der Meridianebene liegt. Sie ermöglichen es, den Azimut eines Sterns gleichzeitig mit seiner Höhe zu messen. Der Quadrant (5) von Maragha war doppelt, er ermöglichte es, gleichzeitig die Position von 2 Sternen zu messen.

Im Westen (und in China)

In der westlichen Welt scheinen die Quadranten aus dem XIII - ten  Jahrhundert. 1283 verwendete Pierre de Limoges einen „großen Quadranten“. Es besteht aus Holz und Messing; der Limbus ist von 5 in 5 Minuten graduiert. 1319 verwendete Jean de Murs einen „kardaga“, einen großen Quadranten von etwas weniger als 5 m, der über einen Sektor von 15° abgestuft war. "Es wurde fest auf einem Stein errichtet und in der Meridianebene festgelegt". Zu Beginn der XV - ten  Jahrhundert, Jean Fusoris verwendet einen großen Quadranten in Wilhelm von Sens, in Paris, Tabellen Höhe der Sonne zu etablieren. Die Werte in den Tabellen stimmen mit den theoretischen Werten bei ± 10 Minuten Grad überein, was in etwa einer Auflösung von 2 Minuten oder einem Quadrantenradius von 1,5 m entsprechen kann.

Am XVI th  Jahrhundert, Ignazio Danti auf einen astronomischen Quadranten in der Ebene des Meridians an der Fassade der Kirche Santa Maria Novella, Florenz (1574). Dieser Quadrant ist eine Nachbildung des Quadranten des Ptolemäus; Mit einer Fläche von ca. 1,5 m² bestimmt Danti damit unter anderem die Schiefe der Ekliptik mit laut ihm sehr hoher Präzision; Wert, den es auf der Basis des Quadranten einschreibt, ist 23 ° 26'49 "55'"! Es soll 23°29'44" gefunden haben. Dieser Quadrant existiert noch heute (2014).

Am XVI th  Jahrhundert noch Tycho Brahe verwendet eine große Anzahl von beeindruckenden Dimensionen der Beobachtungsinstrumente im Observatorium von Uraniborg . Unter den 22 in seinem Buch beschriebenen Instrumenten gibt es nicht weniger als 8 verschiedene Quadranten, ohne die Sextanten mitzuzählen:

Im Allgemeinen liegt die Genauigkeit der durchgeführten Messungen in der Größenordnung von einer Winkelminute; "Tycho lief nach der Minute", so JB Delambre .

Im XVII - ten  Jahrhundert Hevelius , wird auch eine große Anzahl von ähnlichen Instrumenten , dass Tycho verwenden. Sie illustrieren sein Werk Machinæ coelestis .

Am Ende des XVII - ten  Jahrhunderts in China , Ferdinand Verbiest gebaut für die Peking Guguanxiangtai eine Reihe von Instrumenten , darunter eine Schwenkquadrant von 3,6 m Radius.

Gleichzeitig passen im Westen, nach dem Erscheinen des Galileis- Teleskops im Jahr 1609 und dem Hinzufügen eines Fadenkreuzes zum Fokus des Instruments um 1670 durch Picard , Astronomen Gläser an beweglichen Quadranten und wenig später an den astronomischen Quadranten an. Um 1644 bevorzugte Hevelius in seinem Observatorium immer noch die Pinnule-Alidade, aber der Fortschritt bei Brillengläsern besiegelte bald das Verschwinden dieser Art von Material. Jean-Dominique Cassini ließ um 1678 an der Pariser Sternwarte ein azimutales Instrument mit Teleskop bauen und Picard ließ dort ein Wandbild mit einem Radius von 5 Fuß (ca. Flamsteed ließ im selben Jahr am Royal Observatory in Greenwich einen 135 ° -Wandsektor installieren . 1721 wird ein kleiner Mauerquadrant der Akademie der Wissenschaften ausführlich beschrieben . Es ist ein Quadrant von 1,15 m mit zwei Gläsern, die es ermöglichen, die Minute durch die Transversalen zu schätzen.

Darüber hinaus erhöht die Hinzufügung eines Mikrometers , dessen Erfindung aus dem Jahr 1640 stammt, die messtechnische Auflösung erheblich, dies in Richtung der 1730er Jahre. Zehn in England und vier oder fünf in Frankreich“. Unter ihnen: Graham , John Bird , Dollond in England und Langlois , Canivet , Lenoir in Frankreich. Die letzten Wandbilder sind ihre eigenen Anfertigungen. Bird beispielsweise fertigte in England mehrere 2,5 m, alle aus Messing, zu einem Preis von 8000 Pfund. Einige von ihnen existieren noch; Canivet in Frankreich, „in der Tat 2 m, zu einem Preis von 5.000 Pfund, was nach denen des englischen Herstellers als das beste gilt. ". Le Monnier passt für einen Bird-Quadranten ein kugelförmiges Gelenk an, das eine Drehung des Quadranten um 180 ° auf seinem Mauerblock ermöglicht.

Die Fortschritte in der Konstruktion machen die Auflösung dieser Instrumente unter dem zweiten Grad am Ende des absteige XVIII - ten  Jahrhundert, aber auch so, diese Art des Quadranten wird nach und nach durch die ersetzt wird Meridian Instrumente , genauer, und einige davon sind noch in Geschäft in XXI ten  Jahrhunderts.

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

  1. In der „Französisch Schule der Astronomie“, das XVIII - ten  Jahrhundert, ist dieses Instrument „circle Viertel“ genannt; es wird als solches von Le Monnier in Description et use des instruments d'astronomie , 1774, Permanent link zitiert . Der Begriff "Quadrant" ist eher englische Kultur.
  2. Andererseits ist der Quadrant bei gleichen Abmessungen doppelt so genau: Ein Bogen von 1 ° auf einem Kreis mit 1 m Durchmesser misst 8,7 mm und der gleiche Bogen auf einem Quadranten mit einem Radius von 1 m beträgt 17,4 mm .
  3. Er findet einen Durchschnittswert von 23,854 °, nimmt aber 23,856 ° oder 23 ° 51 '20 " an, einen von Eratosthenes erhaltenen und von Hipparchos eingeräumten Wert, während er 23,678 ° oder 23 ° 40'42" hätte finden sollen (nach R. d "Hollander op. Cit . S. 251).
  4. Wahrscheinlich: einer nach Süden, der andere nach Norden.
  5. Die Deklination der Sonne variiert zwischen ± ε Werten, die bei den Sonnenwenden bis 0 erreicht werden, Wert bei den Tagundnachtgleichen; die Beziehung, die die drei Variablen verbindet, ist wie folgt: φ = δ + 90 - h m für einen Ort nördlich des Wendekreises des Krebses.
  6. Im XXI ten  Jahrhundert angenommen wird, in der Messtechnik, die Auflösung eines Instruments ist etwa 10 - mal kleiner als die Toleranzprüfung.

Verweise

  1. Dutarte, Op. Cit. im Literaturverzeichnis: Les quadrants , p.  183-231.
  2. Raymond d'Hollander, Geographische Wissenschaften in der Antike: Weltkenntnis, Weltvorstellung , Paris, Achtern,2002, 465  S. ( ISBN  2-901264-53-0 ) , p.  157-179
  3. Ptolemaios Halma Übersetzung, Mathematische Komposition , t.  1, Buch I, Kapitel X, Paris, Hermann ,1813( online lesen ) , s.  47-48
  4. L. Am. Sédillot, Memoiren der Royal Academy: Memoiren über die astronomischen Instrumente der Araber , t.  1, Paris, 1844 ; Dutarte, Op. Cit. , s.  186-189.
  5. Frau Ar. Nr. 1157, Bibliothèque Nationale de Paris, zitiert von L. Am. Sédillot, Op. cit. ( online lesen ) , s.  194, 195
  6. Dutarte nennt al-Biruni als Referenz.
  7. Nach Abu Ali al-Hasan al-Marrakushi  (en) in L. Am. Sédillot, Op. Cit. , t.  1 ( online lesen ) , p.  202-206
  8. Dutarte nennt al-Kashi als Referenz.
  9. Denis Savoie, in Kollektivarbeit, Das goldene Zeitalter der arabischen Wissenschaften: Die Astrolabien , t.  1, Paris, Actes Sud und Institut du monde arabe, 2005( ISBN  2-7427-5672-8 ) , p.  96
  10. L. Am. Sédllot, Op. Cit. , t.  1 ( online lesen ) , p.  199-200
  11. Emmanuel Poulle, Astronomen Paris in XIV - ten  Jahrhundert und die Alfonsine Astronomie: John Walls , t.  43, Paris, Boccard, Slg.  "Literaturgeschichte Frankreichs", 2005( ISBN  2-87754-172-X ) , p.  21
  12. Laut Emmanuel Poulle, ein Hersteller von astronomischen Instrumenten zum XV - ten  Jahrhundert: Jean Fusoris , Paris, Champion,1963 ; Studie und Analyse von Gérard Aubry, Les Cadrans de Jean Fusoris , Paris, Société Astronomique de France, Coll.  "Cadran-Info", 2008-2009
  13. John L. Heilbron , Astronomie und Kirchen , Paris, Belin , Coll.  "Für die Wissenschaft",2003( ISBN  2-7011-2814-5 ) , p.  70-71 ; Quelle: Danti, Primo volume dell'uso e fabbrica dell'astrolabio , Florenz, Giunti,1578
  14. (la) Tycho Brahé, Astromiae instauratae Mechanicala , 1598, übersetzt von Jean Peyroux, Mechanik der renovierten Astronomie , Bordeaux, Bergeret,1980
  15. Jean-Baptiste Delambre, Geschichte der modernen Astronomie , t.  1, Paris, Kurier, 1821( online lesen ) , s.  233
  16. (la) Hevelius, Machinae coelestis , 1673( online lesen )
  17. Siehe auch Informationen auf der Website des Pekinger Observatoriums (übersetzt): [1]
  18. Maurice Daumas , Op. Cit. im Literaturverzeichnis , S.  68-84.
  19. Lalande, Astronomie , t.  1, Paris,1771( online lesen ) , xlix
  20. Lalande, Op. Cit , dito.
  21. Pierre-Charles Le Monnier, Beschreibung und Verwendung der wichtigsten astronomischen Instrumente , Paris, 1774( online lesen )
  22. Maurice Daumas, Op. Cit. , s.  230-239

Siehe auch

Literaturverzeichnis

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